(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地震時に液状化が予想される地盤に注入される地盤注入材であって、該地盤注入材は、シリカ溶液と酸性反応剤と地盤注入材1000ミリリットル当たり10〜200ｇのホワイトカーボンを有効成分として含むことにより地盤の粒径分布曲線の通過100分率の20％以下の微粒子分を増やすことにより地盤の粒径分布を細粒土地盤の方向に移動させて、地盤密度を増大させることによって液状化し難い地盤を形成するようにした非アルカリ性微粒子シリカ懸濁液であることを特徴とする地盤注入材。
【請求項２】
請求項１記載の地盤注入材において、シリカ溶液は水ガラス又は／並びにシリカコロイドであって、該シリカ溶液と反応剤の混合液のPHが非アルカリ領域であることを特徴とする地盤注入材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の地盤注入材において、地盤注入材1000ミリリットル当たりのホワイトカーボンは10〜200ｇ、シリカ溶液のSiO2は0.5〜30％、地盤注入材のPHは1〜10であることを特徴とする地盤注入材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかひとつに記載の地盤注入材において、地盤注入材1000ミリリットル当たりシリカ溶液のシリカ分が水ガラスのみの場合、シリカ含有量は15g〜800g、シリカ溶液のシリカ分がコロイダルシリカの場合、シリカ含有量は15g〜1030g、シリカ溶液のシリカ分が水ガラスとコロイダルシリカからなる場合、シリカ含有量は15g〜1030gであることを特徴とする地盤注入材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかひとつに記載の地盤注入材において、非アルカリ性シリカ溶液のモル比をホワイトカーボンによって増大させ、かつ加熱されてなることを特徴とする地盤注入材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかひとつに記載の地盤注入材において、地盤注入材のシリカ溶液中のSiO2／Na2Oのモル比が3〜5000である非アルカリ性微粒子シリカ懸濁液であることを特徴とする地盤注入材。
【請求項７】
地震時に液状化が予想される地盤にシリカ溶液と酸性反応剤と地盤注入材1000ミリリットル当たり10〜200ｇのホワイトカーボンを有効成分とするSiO2／Na2Oのモル比が3〜5000である非アルカリ性微粒子シリカ懸濁液を地盤に注入して地盤の粒径分布曲線の通過100分率の20％以下の微粒子分を増やすことにより地盤の粒径分布を細粒土地盤の方向に移動させて、地盤密度を増大させることによって、液状化し難い地盤を形成することを特徴とする地盤注入工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホワイトカーボンを用いた地盤注入材であって、固結強度が大であり、特に浸透性が優れ、耐久性に優れ、かつ環境保全性に優れた地盤注入材並びに地盤注入工法に関し、地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適した注入材並びに注入工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、耐久性、環境保全性と経済性に優れた地盤注入材並びに地盤改良工法に関し、特に地下水の流動に対する抵抗力が強く、かつ液状化強度に優れ、地盤変位が生じにくく構造物の液状化による被害を未然に防止する技術にかかわる。
【０００３】
緩く堆積した飽和砂地盤が地震動による繰返しせん断力を受けると、砂粒子間の構造は乱され、粒子間同士のかみ合わせが次第に外れ、その結果、過剰間隙水圧が上昇し、有効応力が減少することにより砂地盤は液体状の性質を示し（液状化現象）、その結果、噴砂、構造物の不等沈下、側方流動、地震揺動、斜面の流動的破壊、支持力低下、護岸・擁壁の破壊、埋設管などの浮き上がり等の液状化に伴う被害が発生する。
【０００４】
このような液状化現象に備えて薬液注入による地盤改良工法が広く実施されているが、薬液注入は砂粒子の間隙にゲルを填充することによって間隙水圧の上昇を抑えて液状化を防ごうとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平6-72222号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、薬液注入による液状化防止の課題は、薬液注入による液状化防止の課題は、液状化しやすい地盤に対する浸透可能性の問題と液状化強度に対応した一軸圧縮強度を得るにはシリカ溶液のシリカ濃度を十分濃くしなくてはならず、高価になる等の問題点があった。
【０００７】
また、長いゲル化時間で耐久性を得るには酸性領域のシリカグラウトを用いなくてはならず、そのため多くの酸を必要とし、酸による地下埋設物等による悪影響や水生生物に対する水質の悪影響も問題になる。
【０００８】
また、長いゲル化時間で耐久性を得るには酸性領域のシリカグラウトを用いなくてはならず、そのため多くの酸を必要とし、酸による地下埋設物等による悪影響や水生生物に対する水質の悪影響も問題になる。
【０００９】
シリカグラウトのpHとゲル化時間の特性を図１に示す。又pHと可溶性シリカの関係を図2(a)にに、シリカ粒径の比表面積と可溶性シリカの関係を図2(b)に示す。
【００１０】
図2(a)によりシリカ濃度が薄いほどpHが酸性な程ゲル化時間が長くシリカ濃度が濃いほどpHが中性に近づくほどゲル化時間が短くなることが判る。又図2(a),(b)よりアルカリ分が少なくpHが中性〜酸性でかつシリカの比表面積が小さくなると可溶性シリカが少なくなることが判る。即ちモル比が高くてシリカの粒径が大きいと可溶性シリカが少ない。水ガラスの場合、ゲル化時間を長くする場合は強酸性にしなくてはならずシリカ濃度を高くして強度を大きくするにはさらに強酸性にしなくてはならない。
【００１１】
ホワイトカーボンは微細粒径であるが水ガラスよりもシリカの粒径が大きく、かつほとんど中性であることから薄いシリカ溶液にホワイトカーボンを加えるとシリカ溶液を酸性にしてシリカ分を少なくしても注入液のシリカ分の濃度を高くなり、かつ酸の量を少なくしても長いゲル化時間を得ることができる。即ち高モル比で酸性分が少なく、比表面積が少なく、ゲル化時間が長く、シリカの溶出量が少なくなるため、耐久性と水質保全性に優れ、強度の優れたシリカグラウトを得ることに想到して本発明を完成した。
【００１２】
本発明は、液状化が地下水面下のルーズな砂地盤に生じやすいところから、
(1) 図９に示す粒径分布にある地盤に細粒子を注入して、その粒径分布を左側に移行させること、
(2) ルーズな地盤に細粒分を加えることで、相対密度をルーズから中〜密の地盤に変える事により経済的に液状化しにくい地盤にできること、
(3) ホワイトカーボンは後述するように、
【００１３】
(a) 微細で多孔質のストラクチャーを持ち軽量であるため、シリカ溶液中で白濁して分散して沈殿しにくい。
(b) 溶解しにくいが全体に分散する。しかし、数時間内に沈殿する。
(c) しかし、シリカ溶液中では白濁して分散して長時間にわたって沈殿しにくい。
(d) このため、シリカ溶液中で一部溶解するが地盤中に注入した場合、シリカ溶液が地下水で希釈されて水に近くなるとホワイトカーボンが土粒子間に沈積して土粒子同士して橋かけを生じて固化する。
(e) シリカ溶液がアルカリ性の場合や加温しておいた場合はシリカの溶解度は増して溶解しているシリカ濃度は増大するが酸性剤を加えてPHを酸性側にしたり、或は温度が低下したりすればホワイトカーボンの溶解した分が析出してくる。このため地盤中に注入すれば注入初期の浸透性に優れ、浸透が広がって地下水に薄まって注入液のPHが中性に近いホワイトカーボンに起因するシリカ分はホワイトカーボンの微粒子が土粒子間に沈殿して充填する。或は加熱した注入液を注入すれば地盤中で温度が下がり、ホワイトカーボンのシリカ分が析出して土粒子間に沈積して地盤を固結という効果を生ずる。
【００１４】
(f) ホワイトカーボンは殆ど中性であって直接ゲルタイムに影響しないでホワイトカーボンによってシリカ濃度を高くしても、それを酸性側にしてゲル化時間を長くするに当たっては酸性水ガラス（酸性シリカゾル）のように酸の量を多くする必要はないので、水質保全上優れている。
【００１５】
(g) 地盤中でホワイトカーボンに起因するシリカ微粒子が土粒子間に固着するとシリカ濃度が薄くても土粒子間ホワイトカーボンの粒子が固着しているため強度が大きくなり、液状化強度も優れ、かつ地震動に対しても変位が少なく、かつゲル化物の収縮も少なく、地下水の流動に対する抵抗が大きくなることに着目して本発明を完成した。
(h) ホワイトカーボンの領域は、土粒子と同じくシリカであって環境上問題がない。
【００１６】
注入地盤は表１のような土粒子から形成されているため懸濁液はどのように細粒子であれ、土粒子間に浸透しにくい。即ち、粒子が土粒子の間のフィルタレーションで詰まってしまい浸透性が阻害されるという問題がある。
【００１７】
本発明はホワイトカーボンを用いることにより、ホワイトカーボンの溶解と析出の特性を着目して上記問題を解決した。
【００１８】
【表１】
0005531234.tif 000002
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明におけるホワイトカーボンは、微粉末あるいは超微粒子の無水あるいは水和珪酸および珪酸塩である。
【００２０】
ホワイトカーボンは、一般にその組成によって次の４種類に分類されている。
１） 無水珪酸（SiO2）
SiO2が約98％以上で付着水分や結合水はきわめて少ない。微量の水を含んではいるが、以下の２）の含水珪酸に対比して無水珪酸と称されている。
２） 含水珪酸（SiO2・nH2O）
SiO2が約80〜90％で付着水分、結合水が多い、水和珪酸とも言う。
３）含水珪酸カルシウム（xSiO2・CaO・nH2O）
SiO2が約55〜65％で、水和珪酸カルシウムとも言う。
４）含水珪酸アルミニウム（xSiO2・Al2O3・nH2O）
SiO2が約60〜70％で、水和珪酸アルミニウムとも言う。
微粉アルミノ珪酸塩もこの中に入る。
【００２１】
また、ホワイトカーボンは以下のようにして製造される。
(a) 乾式法＝
A.有機ケイ素化合物の分解
B.ハロゲン化ケイ素の分解
C.ケイフッ化水素酸の分解
D.ケイ砂およびコークス混合物のアークによる加熱
【００２２】
(b) 湿式法＝
A.ケイ酸ナトリウムの酸による分解
B.ケイ酸ナトリウムのアンモニウム塩による分解
C.ケイ酸ナトリウムのイオン交換樹脂による分解
D.ケイ酸ナトリウムから誘導したアルカリ土類の酸による分解
E.その他ケイ酸のオルガノゲルからオートクレーブでエアロゲルをつくるオルガノゲル法がある。
【００２３】
ホワイトカーボンのPHは無水珪酸:3〜７、含水珪酸:5〜11、含水珪酸カルシウム:9.5〜10.5、含水珪酸アルミニウム:9.5〜10.5である。
【００２４】
ホワイトカーボンの単粒子径は10〜100mμが普通であるが、これが軽く集合して１〜５μ程度の凝集粒になっている。また、平均粒径が１〜100μのものもある。
【００２５】
本願発明者はホワイトカーボンを注入材として用いた場合、ホワイトカーボンの有する以下の特性が注入材としてきわめて有用である事に着目した。
(a) 粒子径が小さくかつ軽い。
（真比重：約2.0見掛比重:0.15〜0.35g/cc）
(b) 比表面積が大きく（BET表面積:50〜300m2/g）粒子表面の吸着活性が強い。
(c) 粒子同志がストラクチヤー（網目構造）を構成する。
ホワイトカーボンのストラクチヤーの測定は吸油量の測定によるが、吸油量はほぼ120〜280cc/100gの値を例としてあげる事が出来る。
【００２６】
即ち、水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系と注入液はホワイトカーボンが沈澱する事なく、液中全体に分散してストラクチヤーを形成し、一部溶解し時間と共に水ガラス−反応剤の反応によって析出したシリカ分がストラクチヤーに吸着してゲル化が進行する。ストラクチヤーはゲルに引張応力を与え、かつ硬さの増大に寄与する。
【００２７】
また、ホワイトカーボンは前記シリカコロイド溶液のように反応剤との反応が急速に行われる事はなく、ゲル化時間には殆ど影響しない。
すなわち、ホワイトカーボンの分散したコロイド溶液に反応剤を加えてもゲル化しない。
【００２８】
したがって、水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系においてホワイトカーボンの濃度が増減してもゲル化時間に殆ど影響をしないが強度が増大し、ホワイトカーボンの濃度が大きくなる程大きな強度を示す。又ストラクチヤーの作用によりゲルの収縮がきわめて少なくなりまたSiO2の溶脱も大幅に減少するため、止水性、固結性の低下がなく恒久性がきわめて向上する。
【００２９】
なお、ホワイトカーボンとしての含水珪酸カルシウムや含水珪酸アルミニウムと通常グラウト工法では用いられている珪酸カルシウムとは異なる。即ちグラウトに使用されている珪酸カルシウムは銑鉄等の製造の際に副生するスラグを粉末にしたもので、可溶性ケイ酸、石灰、苦土を含み、石灰との硬化性があるが、水溶液はすぐに沈澱してしまい、ホワイトカーボンのように水中に分散してストラクチヤーを形成しないし、比表面積も小さく、又吸着活性もない。
【００３０】
これはホワイトカーボンが含水珪酸（含水珪酸カルシウム、含水珪酸アルミニウム）粒子の内部および表面にOH基が多く存在し、水素結合により水を吸着するためである。
したがって、本発明においてはホワイトカーボンと通常の珪酸カルシウムや珪酸アルミニウムとは区別するものである。
【００３１】
また、同じく、SiO2粒子としてフライアッシュ、珪藻土、シリカフユーム珪華等のポソランがあるがこれらは水と混合して放置するため沈澱する。
【００３２】
すなわち、表面活性、表面吸着、見掛比重等の特性がホワイトカーボンと異なり、ホワイトカーボンのように水中全体に分散してストラクチヤーを形成できない。したがって、本発明におけるホワイトカーボンとは区別するものとする。
【００３３】
又、ホワイトカーボンは地盤注入に通常用いられる水ガラスのアルカリをイオン交換法等によって除去してなるシリカモノマーを増粒して弱アルカリに安定したシリカコロイドとも異なるシリカコロイドは多孔質のストラクチャーを形成していない。
【００３４】
表２にホワイトカーボンの一般的な例を示す。
【００３５】
【表２】
0005531234.tif 000003
【００３６】
以下に本発明を実験によって示す。
本実験においては表３に示すホワイトカーボンを用いた（シオノギ製薬（株）製、カープレックス）。
【００３７】
【表３】
0005531234.tif 000004
【００３８】
本発明は、上記のような課題に対して地盤にホワイトカーボンのような細粒子を注入し、地盤を細粒土化または高密度化を増大させることにより、液状化を防止しようとするものである。また、地盤改良を経済的に行おうとするものである。
【００３９】
地盤を細粒土化または高密度化することにより土粒子間の粘弾性のある連結機能や拘束機能を付与し、地震動によるせん断力に対してセン断強度を増大し、間隙水圧の上昇を抑え経済的に液状化防止を可能にするものである。
【００４０】
液状化の予測に当っては、図９に図示するような粒径分布の地盤は、液状化しやすいと考えられ、このような地盤の液状化対策として薬液注入がきわめて有効とされているが、経済的に問題がある。
【００４１】
そこで出願人は、ホワイトカーボンを含有するPHが酸性〜中性を呈するシリカ溶液を用いて液状化しやすいルーズな砂地盤の細粒分を増やしかつ高密度化する考えに到った。
【００４２】
特にホワイトカーボンは容器中で水に混入した場合は解けることなく沈殿するがシリカ溶液の中では微粒子が長時間分散しかつ一部が溶解し、残りの微粒子が液中に分散し、分散した微粒子はある時間が経つと溶液とシリカ粒子が分離して底部にシリカ粒子の沈殿物が生ずることが判った。シリカ溶液中でホワイトカーボンが長時間沈降することなく分散する理由はホワイトカーボンが多孔質で軽く、一方シリカ溶液は水よりも粘性があり密度も大きいためと思われる。
【００４３】
この現象は地盤に注入した場合、浸透するにつれシリカ溶液が希釈されて水に近くなり、そのため溶解していたホワイトカーボンが折出するものと思われる。ホワイトカーボンの溶解を大きくするにはシリカ溶液がアルカリ性ならば更にホワイトカーボンの溶解は大になる。
【００４４】
また、シリカ溶液が温度が高い場合或は加熱した場合、ホワイトカーボンは更に溶解する。従って、そのような状態においてPHを酸性〜中性を呈するシリカ溶液を地盤に注入すれば時間と共にホワイトカーボンの溶解しているシリカ分が折出されるという現象が生ずることが判った(図３)。
【００４５】
上記溶液を地盤中に注入し、その溶液がある時間後にシリカの粒子を土粒子間に沈積すれば土の粒径分布も左側に移行し、かつ土の密度や増大することが判った(図  )を見出した。
【００４６】
これらのホワイトカーボンを含むシリカ溶液は、図９に図示するような粒径分布地盤の粒子よりも小さな細粒子（ホワイトカーボン）を含むため(表４参照)、図９に図示するような液状化の可能性のある粒径分布からなる地盤に対しては、粒径分布曲線の細粒子分を増やすことにより液状化の起きにくい細粒土地盤の方向に粒径分布を移動させることにより、または高密度化することによりきわめて経済的に液状化を防止できることに着目した。
【００４７】
ホワイトカーボンは、硬化性がないため土粒子間に抵抗がなく浸透しやすい。また、ホワイトカーボンは、セメントや超微粒子セメントのように硬化性がないが、地盤の土の粒径分布を細粒土の方向に移行させる。勿論、ホワイトカーボンに硬化性粒子が混入されても良い。しかしホワイトカーボン単独の水溶液ではその粒径から液状化の可能性のある地盤のうち砂地盤への注入は可能であるが、更に細粒土地盤の場合は浸透不可能なこともある。
【００４８】
この場合、ホワイトカーボンを含む低濃度シリカ溶液を用いればホワイトカーボンが浸透不可能な細粒土地盤でも低濃度シリカ溶液分がろ過されて浸透が可能であることが判った。
【００４９】
このようにすれば、ホワイトカーボンは液状化層の土粒子間に全て充填することができなくてもシリカ溶液中にホワイトカーボンを含ませることにより液状化しやすい地盤の土粒子間同士を鎖状にかつ粘弾性をもって連結する。そして経済的に液状化を防止することができる。
【００５０】
このように本発明注入液では低濃度のシリカ溶液を用いて地震動によって間隙水圧の上昇を防ぐことがでる。また、ホワイトカーボンを含むシリカ溶液はホワイトカーボンを含まないシリカ溶液に比べて低いシリカ濃度で安定した粘弾性のあるゲルを形成するので、ホワイトカーボンからなる充填物は自己修復性があるので地震動による土の完全な破壊を防ぐ。
【００５１】
以上の機能によってホワイトカーボンを用いたシリカグラウトによって液状化を経済的に防ぐことが判り、本発明を完成した。参考までに懸濁型グラウトの注入可能限界は土の間隙率と間隙径と土粒子のＤ10，Ｄ15と懸濁液のＤ85，Ｄ95から得られると考えられている。
【００５２】
直径Ｄの球の「間隙の大きさ」、すなわち間隙径αは、間隙率26％（もっとも締まった状態）で球の直径Ｄの15％の大きさであり、間隙率48％（もっとも緩い状態）で球の直径Ｄの41％の大きさであると考えられている。
【００５３】
砂れきの間隙率n と「間隙径」αは、多くの実験の結果では、実際の河床砂れきの間隙率は35〜38％程度を示すことがもっとも多いと知られている。また、室内実験では単粒度骨材の「間隙径」を実測した結果を統計的に調査してみると、α/Ｄ≒20％，すなわち
α＝Ｄ×(1/5)の場合がもっとも「頻度」が大きいと考えられている。ここでｄ＝間隙径、D土粒子間隙をスムーズに通りうる粒子径とする。
【００５４】
このような考えをもとに懸濁粒子が浸透しうる土粒子の粒径加積曲線の10％，15％径を求めることができると考えられている。該懸濁液の粒径加積曲線の10％径をＤ10とし、地盤の粒径加積曲線の95％径をＤ95とすると、Ｄ10，Ｄ95の関係の実験的統計結果より多くの実験結果をまとめてみると、
Ｎ＝Ｄ10/Ｄ95≧8
の関係が満足されないとグラウト（懸濁液）はスムーズに浸透できないことが知られている。
Ｎを「注入比」（Groutability Ratio）という。
ホワイトカーボン95％径：5ｎｍ〜5μｍ、95％径の値として以下の例とすると、懸濁液の浸透可能な土粒子の粒度は以下のようになる。
【００５５】
Ｄ10＝Ｄ95×8＝5ｎｍ×8＝40ｎｍ
Ｄ10＝Ｄ95×8＝5μｍ×8＝40μｍ
すなわち浸透可能限界は、Ｄ10＝40ｎｍ〜40μｍ計算できる。
【００５６】
Ｄ95＝0.03μｍとするとＤ10＝0.03μ×8＝0.24μｍとなる
図９に図示する液状化しやすい粒径分布の地盤にホワイトカーボンを注入してもその間隙の一部がホワイトカーボンに充填されるだけだから、地盤の粒径分布そのものが左側に移行する訳ではないが、全体の粒径分布を左側に移さなくても粒径分布曲線の通過100分率の20％以下の細粒分を増やすことにより左側に移行するだけでも液状化がしにくくなることが判った。
【００５７】
例えば、直径5cm×高さ10cmのモールド内に豊浦砂300ｇ（約196ml、Dr60%）を詰めた模擬地盤の場合、液状化の可能性がある範囲に粒径加積曲線がくるが、該模擬地盤あたり表４に示すホワイトカーボンを図11に示す。
【００５８】
注入装置で図９の粒径曲線をもつ豊浦砂に表４の5μ以下のホワイトカーボンを注入すると粒径曲線が左に移行する。さらに注入を行い、地盤中にホワイトカーボンが40ｇ注入された場合、液状化の可能性のある範囲から粒径加積曲線が左に移行する。
【００５９】
ホワイトカーボンだけでは地盤の間隙充填が不十分な場合、或いは地震動が大きい場合、地震による繰返しセン断力が加わると間隙水圧が上昇して液状化を生ずる危険があるがホワイトカーボンを含むシリカ溶液を用いれば、それを防ぐことが出来る。  一般に水ガラスグラウトの最適の適用対象は、微細砂あるいは粗砂である。すなわち、比表面積が100〜1000ｃｍ-1の砂に適用される(表１)。
【００６０】
透水係数からいえば主に k＝10-1〜10-3ｃｍ/secの砂に適用されるが(表１)、シリカ濃度の極めて低いシリカ溶液、特に非アルカリ性のＰＨ領域のシリカ濃度はシリカ濃度が1〜3％でも浸透可能であり、シルト質砂の10-4オーダーの地盤でも可能である。シリカ濃度が2％以下の場合、シリカの固結や、特に地下水面下におけるシリカのゲル化能力は極めて少なく、液状化強度改善度は低い。ところが、ホワイトカーボンの存在下ではシリカ濃度が２％以下、0.5％でも十分な液状化強度が得られる。
【００６１】
また、シリカ濃度の薄いシリカ溶液では地下水の流れがあると長期的にゲルが細かく砕かれ耐久性が不十分になる。しかし、ホワイトカーボンによって空隙が充填され地下水の影響が遮断されていればシリカのゲルは安定化する。
【００６２】
したがって、このようにホワイトカーボンと希薄シリカを地盤の粒度に対応して用いれば液状化の可能性のある地盤は密度も増大し大部分が液状化しにくい細粒土地盤へ移向させることができる。
【００６３】
したがって、ホワイトカーボン＋低濃度シリカ溶液は注入可能限界内の地盤中に注入すれば注入液の注入量相当の量の粘性土分が増加した地盤になるとみなせるので液状化の起こらない粘性土地盤に類似した地盤にすることが出来る事が判る。
【発明の効果】
【００６４】
本発明は、液状化の可能性のある粒径分布からなる地盤にホワイトカーボン等の極微細粒子等の細粒子を注入して地盤を粘土化（細粒土化）、或いは相対密度を上げることにより、地盤改良をきわめて経済的に行うことができる。
【００６５】
また特に、固結強度が大で、かつ浸透性、耐久性におよび環境保全性等に優れているため、地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】シリカグラウトのpHとゲル化時間の特性を示すグラフである。
【図２】(a)は可溶性シリカとPHとの関係を示すグラフ、(b)はシリカの溶解量と粒子の表面積との関係を示すグラフである。
【図３】ヒーターを装着した本発明グラウトを製造する装置による本シリカグラウトの製造方法の例を示す概要図である。図にてヒーターは装着しなくてもよいが、ここではヒーターを装着した例を示す。
【図４】本発明のイメージを示し、土粒子間の間隙水を溶液型シリカとホワイトカーボンに置換することにより地盤の密度を増加させた地盤の模型図である。
【図５】供試体の整形概要を示す斜視図である。
【図６】圧密定圧一面せん断試験機の概要図である。
【図７】せん断応力−せん断変位の関係を示すグラフである。
【図８】垂直変位−せん断変位の関係を示すグラフである。
【図９】(a),(b)は、特に液状化の可能性のある地盤の粒径分布を示すグラフである。
【図１０】極細粒子としてホワイトカーボンの10％液を豊浦砂に注入した場合のホワイトカーボンの粒径分布と豊浦砂の粒径分布の変化を示す。
【図１１】試験に使用した砂の粒径分布を示すグラフである。
【図１２】浸透注入試験装置の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、本発明を具体的に説明する。
【００６８】
本発明に用いられるシリカ溶液はアルカリ性水ガラス溶液、水ガラスの酸で除去した非アルカリ性水ガラス（シリカゾル）、コロイダルシリカ、或いはこれらを有効成分とする混合物である。特に、本発明に使用されるシリカ溶液は水ガラス系グラウト好ましくは耐久性にすぐれたコロイダルシリカ系またはシリカゾル系等水ガラスを素材とするシリカ溶液からアルカリを除いた溶液型薬液を用いるのが望ましい。
【００６９】
アルカリ性水ガラスとしては、モル比が１〜５の水ガラスを用いることができるが、低モル比水ガラスは、酸性にするには多くの酸を必要とするモル比が３〜５付近が望ましい。
【００７０】
上記におけるアルカリ性水ガラス溶液、水ガラスの酸で除去した非アルカリ性水ガラス（シリカゾル）、は水ガラスを希釈したものにゲル化時間の調整の為の反応剤を混合したものである。
【００７１】
上述の反応剤としては、酸性調整材として、硫酸、リン酸、重硫酸ソーダ、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム等の酸性塩、アルミニウム塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、塩化物、アルミン酸塩、グリオキザール、エチレンカーボネートのような炭酸エステル、多価酢酸エステル等が挙げられ、さらにこの他、セメント、石灰、スラグ等も反応剤として単独で、または上記反応剤に併用して用いることができる。
【００７２】
上記におけるシリカコロイドは、粒径が５〜100ｎｍの粒径の弱アルカリ性に安定させてなるコロイドである。また、水ガラス、あるいは水ガラスと酸を混合してなる酸性水ガラスをイオン交換樹脂やイオン交換膜で処理して得られる活性シリカでもよい。この活性シリカコロイドに水ガラス、酸あるいは塩を加えてなるシリカコロイド等である。また、シリカコロイドとしては、金属シリカを素材としたものでもよい。
【００７３】
本発明におけるシリカコロイドは、液状のアルカリ金属シリカ塩水溶液（水ガラス）からアルカリ金属イオンのほとんどを除去して得られるものであって、例えば、ゼオライト系陽イオン交換体、アンモニウム系イオン交換体のイオン交換樹脂に水ガラスを通過させ、生成したシリカコロイドを80℃〜90℃の温度でさらに水ガラスに加え、再び上記イオン交換樹脂に通過してイオン交換を行って得られるものであり、比較的純粋な（希薄な）シリカコロイド（活性シリカコロイド）が得られる。
【００７４】
さらに、純粋なシリカコロイドを得るには、前述の希薄なシリカコロイドを微アルカリ性に調製し、これにさらに前述のシリカコロイドを加えながら蒸発し、安定化と濃縮を同時に行う方法、あるいはイオン交換後の活性シリカコロイドを適当なアルカリの下に加熱し、これにさらに活性シリカコロイドを加えて安定化する方法が用いられる。また、金属シリカからなるシリカ溶液でも良い。
【００７５】
本発明におけるシリカコロイド溶液は、Naイオンがほとんど分離除去されているため、通常ｐＨが10以下の弱アルカリ性を示しており、Na2Oは0.2質量％〜4.0質量％の範囲にある。Na2Oは４質量％以上になるとシリカコロイドは溶けてしまい、ケイ酸塩の水溶液となってしまう。
【００７６】
一方、Na2Oが0.2質量％より少なくなるとシリカコロイドは安定して存在し得ず、凝集してしまう。すなわち、Na2Oが0.2質量％〜4.0質量％の範囲で、Naイオンがシリカコロイドの表面に分布して安定したコロイド状に保ち得る。
【００７７】
このようにして調製されたシリカコロイドは、ほとんど中性に近く、かつ、半永久的に安定しており、これを注入液として用いる場合、工場から現場への搬入ならびに注入操作の際にゲル化する心配がない。このシリカのコロイド溶液をそのまま地盤中に注入してもそれ自体実用時間内にゲル化することはないので実用上の固結効果は得られない。
【００７８】
また、本発明における地盤注入材は、例えば、図３に図示するような装置により容易に製造することができる。図２において、薬液液反応材槽１にアルカリ性シリカ溶液とホワイトカーボンを一定比率で注入して混合し、その混合液を薬液反応槽１から外部に送液する際にヒーター２を通して一定温度で加熱することにより容易に製造することができる。
【００７９】
なお、シリカ溶液とホワイトカーボンを投入してホワイトカーボンの一部を溶かしてかつ酸性剤を投入して本グラウトを製造して注入してもよい。或いはシリカ溶液と酸性剤を混合して酸性シリカ溶液をつくってからホワイトカーボンを投入してもよい。或いはこれらを同時に行ってもよい。またヒーターの位置は注入液の送液管の箇所でもよいし、或いは反応剤槽内でもよいし、材料投入管の部分でもよいし、ホワイトカーボンとシリカ溶液の混合管にヒーターを取り付け、反応剤槽に送入してもよい。
【００８０】
図３において、左右の符号３は、薬液反応槽液１にアルカリ性シリカ溶液とホワイトカーボンをそれぞれ送液するポンプ、４はこれらの量を調整する調整バルブ、そして、符号５はヒーター２、ポンプ３および調整バルブ４を調整するためのコントローラーである。
【００８１】
また、本発明の地盤注入材は、さらにこれらの注入材を併用することもできる。水ガラスはシラノール基を多く含み、反応性が早いため、初期の強度発現が早い。しかし、シリカコロイドに比べNaを多く含み、ゲル化後、ゲル化物の収縮が起こる。
【００８２】
前述したように、ホワイトカーボンは合成された微粉の無水ケイ酸、含水ケイ酸塩、含水ケイ酸カルシウム、含水ケイ酸アルミニウムなどの総称で、ゴムに配合すると、カーボンブラックに次ぐ優れた補強効果を示すことから、ホワイトカーボンとよばれる。製品中のシリカ（二酸化ケイ素）SiO2含有量も98％以上のものから50〜70％のものまで各種ある。製法により粒子径が異なるが、5ｎｍ〜5μｍである。
【００８３】
粒子径（粒の大きさ）、ストラクチャー（粒子のつながり）、表面性状（官能基）をさまざまに変えることにより特性が大きく変わり、これらは製造法によりある程度コントロールできる。
【００８４】
これら一種または複数を中・酸性シリカ溶液中に混合して注入することで改良効果を上げることができる。或いは、あらかじめ水ガラスとホワイトカーボンを配合したシリカ溶液をつくり、これに酸を加えてホワイトカーボン混入非アルカリ性シリカ溶液をつくることができる。
【００８５】
【表４】
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【実施例１】
【００８６】
試験1〜４にシリカ化合物と表４のホワイトカーボンを混合し、図11珪砂７号に注入した時の28日後の液状化強度を表５に示す。PHが酸性の場合１年後には、珪砂のみの場合に比べて、液状化強度が高い値が得られた。しかし、PHがアルカリ性の場合は１年後には強度が低下した。
【００８７】
【表５】
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【００８８】
細粒子としてホワイトカーボンを用いた時の改良効果、ホワイトカーボンとシリカとの混合液で固化した硅砂の改良効果を確認した。これにより、酸性領域では液状化強度が増大することが判った。
【実施例２】
【００８９】
ホワイトカーボン懸濁液、あるいはホワイトカーボン懸濁液＋シリカを作製し(表６)、図12に図示する装置により現場砂に注入し、現場砂の改良効果を確認した（表６）。表６、No,6,7より、pHが酸性領域でモル比が高い場合で、液状化強度が経時的に増大することが判った。
【００９０】
【表６】
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【００９１】
図12に図示した装置による供試体の作製手順は先ず砂を密度60％になるようにモールドに詰め、載荷板を供試体に取り付け、空圧により載荷板を押し下げ拘束圧を付加する。この状態で試料を脱気水により飽和したのち、表６の薬液の浸透注入を行った。
【００９２】
また、注入された供試体は所定期間拘束圧下で養生し、４週間後並びに１年後の液状化強度比Ｒを求めた。結果を表３に示す。
【００９３】
砂は、細かい砂質地盤を想定した7号珪砂と、粗い砂地盤を想定した5号珪砂を用いてモールドを作成した。なお、使用した砂の粒径曲線は図11に示す。また、粒子の細かい砂のほうが液状化強度が高くなることも判った。
【００９４】
【表７】
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【００９５】
砂質地盤での検証
注入材を表７の珪砂にホワイトカーボン30g/注入液400リットル(水＋ホワイトカーボン)を注入した供試体は改良前に対し液状化強度が大幅に上昇した(表７)。
【００９６】
珪砂(表７)に少量のシリカ化合物を混合し、全体がゲル化する注入材(表６、試験5,6)を注入したところ、高い液状化強度が得られたが、非アルカリ領域のシリカグラウトの場合は、１年後も液状化強度が増大しが、アルカリ領域の場合は低下した。
【実施例３】
【００９７】
本発明は、図３に示すように土粒子間の間隙水を溶液型シリカとホワイトカーボンに置換することにより地盤の密度を増加させ、液状化を抑制する地盤改良である。地盤の間隙内に溶液型シリカとホワイトカーボンが注入されると間隙比が減少し、相対密度が増加する。
【００９８】
また、溶液型シリカを併用することによる地盤の固化と、ホワイトカーボンの注入による密度の密度増大の効果を併せ持つ液状化対策工といえる。
【００９９】
圧密定圧一面せん断試験を行うための供試体を混合法にて作製した。試料は豊浦砂を用い、直径6.0ｃｍ、高さ9.5ｃｍ、の供試体を作製した。供試体に用いた溶液型シリカおよびホワイトカーボン（以下、「ＳＷ」）の配合を表８に示す。
【０１００】
注入後の相対密度は、供試体作製に用いた注入材のＷＣ添加量と改良前の間隙比より算出した。その結果、ＷＣを30g/400ｍリットル使用した場合は、初期の相対密度から約10％、ＷＣを100g/500ｍリットル使用した場合では、約20％程度相対密度が増加した。
【０１０１】
また、図４の供試体整形概要のように試験のために直径6.0ｃｍ、高さ2.0ｃｍに整形し、整形した供試体の上部から(1),(2),(3)とした。なお、飽和砂の一面せん断試験では、せん断箱内で試料を水中落下法によりD＝70％となるように供試体を作製した。
【０１０２】
本試験は、混合法で作製した供試体において、ダイレイタンシー特性を比較することを目的として試験を行った。試験条件を表９に示す。試験は圧密定圧一面せん断試験機概要を図４に示す。試験は圧密圧力を50KPaとし、10分程度圧密させた後、せん断速度0.2ｍｍ/minで最終せん断変位10ｍｍ程度までせん断させた。供試体は直径6.0ｃｍ、高さ2.0ｃｍに整形し、供試体下部分を用いた。
【０１０３】
【表８】
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【０１０４】
水ガラス：5号水ガラス、比重1.32、SiO2＝26％、Na2O＝7.16%
PH調整剤：リン酸
非アルカリシリカゾル：コロイダルシリカ、比重1.21、SiO2＝30％、Na2O＝0.3%
WC：ホワイトカーボン、SiO2＝100％とみなした。
【０１０５】
【数１】
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より表８の配合のモル比は以下の通りになる。
【０１０６】
【数２】
0005531234.tif 000011
【０１０７】
【数３】
0005531234.tif 000012
【０１０８】
【数４】
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【０１０９】
【数５】
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【０１１０】
具体例
コロイダルシリカ、比重1.21、SiO2＝30％、Na2O＝0.3%
WC：ホワイトカーボン、SiO2＝100％とみなした。
２号水ガラス、SiO2＝35％、Na2O＝14.5%
【０１１１】
【数６】
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【０１１２】
【数７】
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【０１１３】
好ましくは3〜5000が好ましい。
試験結果および考察セン断力−セン断変位の関係を図７に示す。最大セン断応力τはcaselではτ＝11.9kPa、case2ではτ＝18.6kPa、case3ではτ＝23.6kPa、case4ではτ＝32.4kPaとなり、case2〜case4においてセン断応力τが増加しており、溶液型シリカおよびＳＷによるセン断応力の増加が確認できた。また、case2〜4を比較するとＳＷのセン断応力は溶液型シリカと比較し強くなる傾向を示し、ＷＣの添加量が多い配合ほどセン断応力は強くなる傾向を示した。垂直変位−セン断変位の関係を図８に示す。
【０１１４】
飽和砂はセン断を開始すると供試体が沈下し体積が減少している。しかし、case2〜case4においては、セン断初期は供試体が沈下するが、その後、正のダイレイタンシーが働き、体積が上昇していることが分かる。また、case2、case3においては、一定の値で体積膨張が収束するが、case4においてはセン断変位8ｍｍの時点でも体積膨張を続けており、これは微粒子による密度増大効果によるものと考えられる。しかし、ＷＣを用いた場合、添加量が多すぎると豊浦砂とうまく混合することが出来ず、ＳＷ(2)供試体においてはＷＣが供試体内で偏りが出来てしまった。
【０１１５】
【表９】
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【０１１６】
（1）細かい砂質地盤（7号珪砂）での検証
試験No.1、2の注入材を注入した供試体は改良前に対し液状化強度が0.26に上昇した。
【０１１７】
さらに、少量のシリカ化合物を混合し、全体がゲル化する注入材試験No,3,4,5においては、気泡無しでも高い液状化強度が得られることがわかった。
（2）粗い砂地盤（5号珪砂）での検証
粗い砂地盤（5号珪砂）に注入したものは細かい珪砂を使用したものに比べて液状化強度が高くなった。
【０１１８】
これより、粗い砂地盤ではホワイトカーボンが間隙に浸透しやすく、より高い効果が得られることがわかった。
【実施例４】
【０１１９】
液状化対策の方法として豊浦砂にホワイトカーボンを入れた場合の粒径分布の変化や相対密度の変化の実験を行った。結果を表10に示す。これにより相対密度が拡大し、細粒分が増えることが判った。
【０１２０】
【表１０】
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【０１２１】
φ5cm×10cm、相対密度Drが40％及び60％の豊浦砂の供試体を作製した後、シリカ濃度6%の注入液を作製し、注入液にホワイトカーボンを100g溶解した。
【０１２２】
供試体を水で飽和させ、ホワイトカーボンを溶解した溶解液を供試体に浸透させた後、浸透後の供試体を乾燥させ、乾燥重量を計測した。相対密度40％では38g、相対密度60％では35.2gの重量増加が確認できた。この分は供試体内に含まれるホワイトカーボンにあてはまる。
【０１２３】
そこで、豊浦砂とホワイトカーボンを混合させた試料の最大、最小密度試験を行った。混合比率は相対密度40％では豊浦砂：ホワイトカーボン=283.1：38.0、相対密度60％では豊浦砂：ホワイトカーボン=295.3：35.2である。その結果、相対密度40％では最大乾燥密度1.742、最小乾燥密度が1.388、相対密度60％では最大乾燥密度1.737、最小乾燥密度が1.381となった。ホワイトカーボンが含まれる供試体の相対密度を計算した結果、それぞれ74％と87％を示し、高密な地盤を形成できることが分かった。
【０１２４】
相対密度40％の豊浦砂にホワイトカーボンが含まれた場合における粒度分布を示す(図10参照)。「液状化の可能性あり」のグラフから外れ、液状化しにくくなることが分かる。また、へーゼンの実験式より地盤の透水係数kは10％粒径D10と以下の関係が示されている。
【０１２５】
Ｋ=ＣＤ102
Ｃは100程度であるが、Ｄ10は有効径といわれており、10％粒径が透水係数に大きく影響を及ぼすことが分かっている。
【０１２６】
ホワイトカーボンを水ガラスに溶解させることによって、溶解度が大きく、10％粒径が小さくなることで、透水係数が低下し、液状化に対して安定する。
【０１２７】
以上より豊浦砂の細粒分含有率が10％程度増え、かつ相対密度が20〜35％程度増大することがわかった。
【０１２８】
また混合液のpHによってホワイトカーボンの溶解性が異なり、水では殆ど溶解せずシリカ溶液では一部が溶解し、他は長時間後に沈殿する。pHによって異なり、アルカリでは溶解性に大きく酸性では少ない。残りはホワイトカーボンが土粒子間に沈積して粒径分布の細粒分を増やす。
【０１２９】
したがって、ホワイトカーボンをアルカリ性の水ガラスに予め溶解した上で地盤に注入に際して酸を加えて酸性シリカグラウトとするのは好ましい。また、添加量の他、pHによって粒径分布の変化や相対密度の変化をコントロールできることが分かる。またシリカ溶液に反応剤が入っていれば、上ずみ液のシリカがゲル化するために液状化強度が大きくなることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、固結強度が大で、特に浸透性、耐久性および環境保全性等に優れ、地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
１  薬液反応槽
２  ヒーター
３  ポンプ
４  調整バルブ
５  コントローラー
【要約】
【課題】本発明は、固結強度が大であり、特に浸透性、耐久性および環境保全性等に優れ、地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適した地盤注入材および地盤注入工法を提供する。
【解決手段】  シリカ溶液と、反応剤と、ホワイトカーボンを有効成分として製造する。シリカ溶液は水ガラス又は／並びにシリカコロイドであって、該シリカ溶液と反応剤の混合液のPHが非アルカリ領域とする。地盤注入材1000ミリリットル当たりホワイトカーボンは10〜200ｇ／1000ミリリットル、シリカ溶液0〜400リットル、注入液PH1〜10とする。
【選択図】  図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005531234.tif 000028
【図１１】
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【図１２】
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